Введение к работе
І.
1.1 Актуальность работы
Одной из главных проблем современной науки о Земле является
наблюдение за состоянием атмосферы, подстилающей поверхности, а
также систематический комплексный контроль геофизических
параметров и изучение их динамики. Решение этих задач тесно
связано с изучением многих важных задач географии и геологии,
метеорологии и прогноза погоды, исследований в области климата и
экологии. Специфика задач экологии, природопользования,
мониторинга чрезвычайных ситуаций требует оперативного
определения геофизических параметров и следов антропогенного
воздействия непосредственно в реальном времени. Наиболее полную
информацию о состоянии подстилающей поверхности можно
получить при использовании комплексных средств землеобзора в
оптическом, инфракрасном и СВЧ диапазонах. Наиболее
перспективными системами землеобзора в СВЧ диапазоне являются пассивные радиотеплолокационные системы - радиометры и активные - радиолокаторы с синтезированием апертуры.
Обработка данных бортовых многоканальных систем дистанционного зондирования Земли в реальном времени с высоким пространственным и радиометрическим разрешением связана с наличием больших объемов(1 -100Гб) информации. Непосредственная передача подобных объемов информации с борта носителя на Землю требует скоростей передачи информации >100Мбит/сек, что зачастую трудно выполнимо, а в отдельных случаях и невозможно. Вместе с тем объем информации, необходимый для непосредственного построения изображения, существенно меньше. Передача информации с борта носителя в виде обработанного изображения подстилающей поверхности снижает требования к системам связи с наземными пунктами и требования к вычислительным мощностям наземных центров обработки информации. Поэтому задача разработки концепции и методов построения бортовых систем регистрации и обработки реального времени является актуальной.
Основной задачей при выборе концепции построения цифровой системы регистрации и предварительной обработки информации состоит в выборе совокупности таких программных, аппаратных и алгоритмических средств, которые способны успешно осуществить обработку данных. Эта совокупность называется архитектурой построения системы предварительной обработки данных.
В общем виде выбор архитектуры построения и требований к системам регистрации и предварительной обработки информации реального времени определяется существующими на данный момент техническими средствами.
1.2 Состояние проблемы
В настоящее время все радиотеплолокационные системы космического мониторинга и дистанционного зондирования Земли используют традиционную схему обработки информации. Эта схема состоит из приемника сигнала, измеряющего либо мгновенное значение комплексной амплитуды электромагнитного поля в точке приема ( преимущественно для радиолокационных измерений), либо среднюю мощность электромагнитного излучения
В бортовых системах предварительной обработки и регистрации
данных активной и пассивной радиолокации используются
аналоговые, цифровые,оптические, акустооптические и смешанные системы регистрации и обработки информации. Несмотря на ряд преимуществ цифровой обработки информации в режимах реального времени, применение ее ограничивается только использованием на конечной стадии предварительной обработки информации при преобразовании аналогового сигнала в код, который с помощью носителей информации передается на наземные пункты обработки.
Использование методов цифровой предварительной обработки информации в аппаратуре активной и пассивной радиолокации сдерживается высокими требованиями к быстродействию аналого-цифрового преобразователя и вычислительной системы.
Известны теоретические и экспериментальные разработки, посвященные вопросам применения цифровой предварительной обработки информации в СВЧ радиометрии радиолокации. В этих работах исследуется влияние факторов квантования при приеме шумоподобного сигнала на чувствительность приемника. Однако в них не определены требования к построению архитектуры бортовых систем предварительной обработки данных реального времени.
Применению цифровых методов обработки информации в системах активной и пассивной радиотеплолокации посвящен ряд публикаций. Предложенная в этих работах архитектура построения подобных систем обработки информации строится либо на применении жесткой аналоговой или цифровой вычислительной структуры на базе спецпроцессоров обработки, либо с использованием мощных вычислительных комплексов на базе рабочих станций. Применение подобных архитектур для систем
регистрации и предварительной обработки информации в реальном времени не оптимально.
1.3 Цель работы. Исходя из вышеизложенного целью работы явилось:
-
Разработка принципов построения систем регистрации и предварительной бортовой обработки информации в реальном времени для сканирующих многоканальных, поляризационных СВЧ радиометрических комплексов дистанционного зондирования Земли и их использование в конкретных разработках СВЧ радиометрических систем космического, самолетного и наземного базирования.
-
Разработка принципов построения систем регистрации и бортовой обработки данных реального времени для мультисенсорных комплексов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и их использование при разработке на современной элементной базе системы бортовой обработки данных для самолетного комплекса ДЗЗ, включающего в себя системы предварительной обработки данных радиолокатора с синтезированием апертуры, многоканальных сканирующих радиометров СВЧ и ИК диапазонов длин волн.
-
Получение экспериментальных данных и исследование информационных возможностей разработанных систем регистрации и обработки данных.
1.4 Научная новизна
-
Впервые в отечественной практике применены алгоритмы цифрового синхронного детектирования в многоканальном, сканирующем СВЧ радиометре.
-
Впервые в отечественной практике разработана и реализована на базе самолета лаборатории ШІ -18 система бортовой обработки информации реального времени для мультисенсорного самолетного комплекса дистанционного зондирования Земли, включающая в себя системы предварительной обработки информации радиолокатора с синтезированием апертуры, ИК сканера, сканирующего СВЧ радиометра.
-
Предложены новые методики применения цифровых алгоритмов автоматической регулировки усиления для компенсации температурного дрейфа высокочастотных усилителей в СВЧ радиометрических сканерах и цифровые алгоритмы коррекции
формы диаграммы направленности радиолокатора с
синтезированной апертурой по дальности.
1.5 Практическая ценность
-
Разработанная архитектура построения систем цифровой регистрации и предварительной обработки радиофизической информации может быть использована при построении перспективных бортовых комплексов активной и пассивной радиолокации.
-
Предложенные и реализованные алгоритмы цифровой обработки данных реального времени для многоканальных сканирующих радиометрических комплексов и радиолокаторов с синтезируемой апертурой могут найти применение при построении аналогичной аппаратуры.
-
Разработанные программы и алгоритмы предварительной обработки информации для СВЧ радиометрического комплекса "Икар-Дельта" могут быть адаптированы и использованы при обработке спутниковой информации, поступающей от СВЧ радиометрического комплекса "Дельта", установленного на ОС Океан.
1.6 Реализация и внедрение результатов
-
Полученные в работе результаты вошли в отчеты по НИР " Природа" и " Глобус ", проводимых в ИРЭ РАН с 1992 по 1997 год.
-
На основе разработанной в диссертации архитектуры построения бортовых систем обработки спутниковой информации для СВЧ радиометрических комплексов создан блок управления и обработки данных Дельта 2П, комплекса Икар-Дельта, который успешно функционирует на модуле Природа с момента вывода его на орбиту (апрель 1996 гг.) и по настоящее время.
-
На основе разработанной в диссертации архитектуры построения системы обработки информации для многосенсорных комплексов дистанционного зондирования создана самолетная система сбора и обработки данных, которая использовалась на самолете ИЛ-18 при проведении экспериментов над тестовыми полигонами России и Германии в 1993 - 9бгг.
-
На основе применения принципов и методов объектно-ориентированного программирования создана система регистрации и обработки информации многоканального сканирующего СВЧ -радиометрического комплекса по изучению параметров атмосферы
в диапазоне 0.3 - 2.2см. Этот комплекс был использован при проведении международных геофизических экспериментов "Клеопатра" и "Яркость" в 1992 - 98 гг.
1.7 Апробация работы Основные результаты работы представлялись и докладывались на следующих конференциях:
-
IV Всесоюзная школа по распространению мм и суб. мм волн в атмосфере. ( Н. Новгород 1991г.).
-
Международный конференция по дистанционному зондированию IGARSS 93 (Токио 1993г.)
-
Международная конференция по дистанционному зондированию PIERS' 96 (Innsbruck , 1996 )
4. Международный симпозиум по спутниковой связи и
дистанционному зондированию SORS 97 (Сиань 1997г.)
1.8 Публикации по теме диссертации
Результаты работы были опубликованы в 10 печатных работах.
1.9 Структура и объем диссертационной работы
